DE3619230A1 - Vorrichtung zum schutz der endstufe eines verstaerkers vor kurzschluessen - Google Patents

Vorrichtung zum schutz der endstufe eines verstaerkers vor kurzschluessen

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Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Schutz der Endstufe eines Verstärkers vor Kurzschlüssen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen in der Endstufe von Niederspannungsverstärkern, die z.B. in Radiogeräte für Autos eingebaut werden.
Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung findet insbesondere Anwendung für den Schutz einer Gegentakt-Stufe eines Verstärkers, dessen erster Transistor mit Kollektor und Emitter zwischen dem Pluspol der Versorgungsspannung und einer Lastklemme und dessen zweiter Transistor mit Kollektor und Emitter zwischen dem Minuspol der Versorgungsspannung und derselben Lastklemme angeschlossen ist, während die zweite Lastklemme mit Masse verbunden ist.
Bekanntlich sind diese Typen von Verstärkern oft an hauptsächlich ohmsche Lasten angeschlossen, deren Widerstand unter 2 Ohm abfallen kann, um eine hohe Abgabeleistung zu erreichen. Folglich ist der Strom, den der Verstärker an die Last abgeben können muß, bekanntlich sehr hoch, muß aber gleichfalls innerhalb der durch die Transistoren vorgegebenen maximal zulässigen Grenzen bleiben, welche die Gegentakt-Stufe des Verstärkers darstellen.
• j Beim Stand der Technik erfolgt der Schutz vor Kurzschlüssen einer Gegentakt-Stufe eines Verstärkers des beschriebenen Typs durch eine Vorrichtung, die den aus dem Verstärker abgegebenen Strom zur Last mißt, wobei die Vorrichtung anspricht, wenn der Strom einen vorher festgelegten Schwellenwert erreicht, der in der Nähe des maximal zulässigen Stroms liegt.
Diese beim Stand der Technik bekannte Schutzvorrichtung erfüllt die Schutzbedingungen nicht in vollkommen zufriedenstellender
Weise, da sie sich auch im Normalbetrieb einschalten und den Verstärker ausschalten könnte; darüber hinaus können sich bei einem Kurzschluß zwischen der Lastklemme und dem Plus- oder Minuspol der Versorgung sehr hohe Stromspitzen ergeben, die eine Gefahr für die Endtransistoren des Verstärkers darstellen.
Eine weitere beim Stand der Technik bekannte Schutzvorrichtung basiert auf der Verwendung eines Fühlers, der ermittelt, wann an den Transistorausgängen der Endstufe eine Potentialdifferenz auftritt, die geringer ist als die geringste zulässige Spannung, was sich aufgrund eines Kurzschlusses zwischen dem Plus- bzw. Minuspol und dem Ausgang des Verstärkers ergibt.
Dieser Schutz erweist sich als risikoreich für die Transistoren, da der geringe Widerstand, der sich in unvermeidbarer Weise im kurzgeschlossenen Abschnitt ergibt, durch den starken durchfließenden Strom an den Enden eine Potentialdifferenz erzeugt, die über der geringsten zulässigen Spannung an den Enden der Endtransistoren liegen könnte und somit nicht gemessen würde. In diesem Fall würde ein Kurzschluß vorliegen, die Schutzvorrichtung würde jedoch nicht ansprechen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schutz vor Kurzschlüssen in der Gegentakt-Endstufe eines Verstärkers zu schaffen, bei dem eine klare Unterscheidung zwischen Normalbetrieb des Verstärkers und KurzSchlußbedingungen möglich ist, ohne den im Normalbetrieb vorhandenen ausgesteuerten Strom des Verstärkers zu begrenzen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine anfänglich beschriebene Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen in der Gegentakt-Endstufe eines Verstärkers gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie folgende Teile umfaßt:
- Einen ersten Fühler zur Messung des im ersten Transistor fließenden Stroms,
- einen zweiten Fühler zur Messung des im zweiten Transistor fließenden Stroms,
- einen ersten bzw. zweiten Strom-Spannungs-Umformer für die Ausgabe von entsprechenden Spannungssignalen, die den vom ersten und zweiten Fühler gemessenen Stromwerten entsprechen,
- einen ersten Spannungskomparator für den Vergleich des vom ersten Umformer erzeugten Spannungssignals mit einer ersten festgelegten positiven Bezugsspannung,
- einen zweiten Spannungskomparator für den Vergleich des vom zweiten Umformer erzeugten Spannungssignals mit derselben festgelegten Bezugsspannung, wobei der erste und zweite Spannungskomparator entsprechende Ausgangssignale erzeugen und abgeben, wenn das eine oder das andere Spannungssignal über dem Wert der vorher festgelegten positiven Bezugsspannung liegt,
- einen dritten und vierten Spannungskomparator für den Vergleich des aktuellen, an der Last anliegenden Spannungswerts mit dem positiven bzw. negativen Wert einer zweiten, zuvor festgelegten Bezugsspannung, wobei der dritte und vierte Spannungskomparator je nachdem, ob der absolute, aktuelle Spannungswert an der Lastklemme höher ist als der absolute Wert der zweiten festgelegten Bezugsspannung, entsprechende Ausgangssignale erzeugen.
- eine erste bistabile Kippschaltung, die durch die gleichzeitig vorhandenen Ausgangssignale aus dem ersten und dritten Spannungskomparator aktiviert wird,
- eine zweite bistabile Kippschaltung, die durch die gleichzeitig vorhandenen Ausgangssignale aus dem zweiten und vierten Spannungskomparator aktiviert wird,
- einen im Versorgungskreis des Verstärkers integrierten
Schalter, der durch die Ausgangssignale aus einem der beiden bistabilen Schaltungen kontrolliert wird.
Weitere Merkmale und die damit verbundenen Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen hervor, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt die einzige Figur
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung.
In der Figur besteht die Endstufe des Verstärkers (1) aus den Transistoren (T1) und (T3), die in herkömmlicher Weise im Gegentakt-System angeschlossen sind. Der Transistor (T.), beispielsweise vom Typ NPN, ist mit Kollektor und Emitter zwischen dem Pluspol (+Vcc) der Versorgungsspannung und der Klemme (2) der Last (RL) angeschlossen, während die andere Klemme (3) in herkömmlicher Weise mit Masse verbunden ist.
Der andere Transistor (T„), beispielsweise vom Typ PNP, ist mit Kollektor und Emitter zwischen dem Minuspol (-Vcc) der Versorgungsspannung und derselben Klemme (2) der Last (RL) angeschlossen.
Die Platinen der Transistoren (T.) und (T3) sind an die übrigen Schaltteile des Verstärkers angeschlossen; da diese Teile in herkömmlicher Weise ausgeführt und für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig sind, wurden sie nicht dargestellt.
Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung einen ersten Fühler (SI.), der über die Leitung (4) den im Transistor (T1) fließenden Strom mißt und einen zweiten Fühler (SI3), der über die Leitung (5) den im Transistor (T3) fließenden Strom mißt.
Dem ersten (SI ) und zweiten (SI ) Fühler sind entsprechende, herkömmlich konzipierte Strom-Spannungs-Umformer (CV1) bzw. (CV3) zugeordnet. Diese Umformer (CV1) und (CV3) sind dafür eingerichtet, daß sie Spannungssignale (V1) bzw. (V3) aussenden, die den von den Fühlern (SI1) und (SI3) in den Transistoren (T1) bzw. (T3) gemessenen Strömen entsprechen.
Die Strom-Spannungs-Umformer (CV1) und (CV3) sind über entsprechende Leitungen (6) und (7) an die jeweiligen Arbeitskreise von Spannungskomparatoren (CMV1) bzw. (CMV3) angeschlossen, wo die Spannungssignale (V1) und (V3) mit einer ersten, vorher festgelegten positiven Bezugsspannung (+VREF1) verglichen werden. Die Bezugsspannung (VREF1) wird so ausgewählt, daß sie der bei einem Kurzschluß des einen Transistors maximal vom anderen Transistor (T1) oder (T_) abgegebenen Stromstärke (Imax) entspricht.
Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung schließt außerdem eine dritte und vierte Arbeitsschaltung von an sich herkömmlichen Spannungskomparatoren ein, die mit (CMV3) und (CMV4) bezeichnet werden.
Die Spannungskomparatoren (CMV3) und (CMV4) sind über die Leitungen (8) und (9) an der Klemme (2) der Last (RL) angeschlossen, so daß der aktuelle Wert der an der Last (RL) anliegenden Spannung (Vn) gemessen werden kann.
Dieser Spannungswert (V_) wird, wie im folgenden noch näher gezeigt werden wird, je nach seinem Vorzeichen über einen der Spannungskomparatoren (CMV3) bzw. (CMV4) mit einer zweiten Bezugsspannung (VREF2) verglichen. Der Absolutwert der Bezugsspannung (VREF3) übersteigt den Wert der Versorgungsspannung des Verstärkers nicht.
Die Komparatoren (CMV1) und (CMV3) sind über entsprechende Leitungen (10) und (11) an eine erste bistabile Kippschaltung (Flip-
flop) (FF ) , die Komparatoren (CMV ) und (CMV ) über entsprechende Leitungen (12) und (13) an eine zweite bistabile Kippschaltung (Flipflop) (FF2) angeschlossen.
Die Ausgänge der Flipflops (FF-) und (FF3) sind über entsprechende Leitungen (14) und (15) mit einem Schalter (SW) verbunden, der seinerseits über eine Funktionsschaltung (16) im Versorgungskreis des Verstärkers (1) integriert ist.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden beschrieben.
Angenommen, der Transistor (T_) ist kurzgeschlossen. Der Fühler (SI-) mißt also den durch den Transistor (T.) fließenden Strom. Dieser Strom wird durch den Umformer (CV1) in ein Spannungssignal umgeformt, und das vom Umformer (CV1) erzeugte Spannungssignal (V1) gelangt über die Verbindung (6) zum Spannungskomparator (CMV1), wo es mit der Bezugsspannung (+VREF1) verglichen wird.
Da die Bezugsspannung (+VREF1) die Stromstärke (Imax) darstellt, die vom Transistor (T1) im Fall eines Kurzschlusses im Verstärker abgegeben werden kann, erzeugt der Spannungskomparator (CMV1) ein Ausgangssignal (S1), das über die Leitung (10) zum Flipflop (FF1) gelangt, wenn das Spannungssignal (V1) größer ist als die Bezugsspannung .
Die Bezugsspannung (+VREF1), die, wie schon gesagt, dem Strom entspricht, der von den Transistoren im Falle eines Kurzschlusses im Verstärker abgegeben werden kann, kann so gewählt werden, daß ihr Wert deutlich niedriger ist als der Strom, der im Normalbetrieb maximal von der Gegentakt-Stufe an die Last abgegeben werden kann. Dadurch wird verhindert, daß die Vorrichtung, wie dies bei den bisher bekannten Vorrichtungen geschieht, auch bei hohen Lastströmen anspricht, die jedoch auf normale Betriebsbedingungen zurückzuführen sind.
Unter den bis jetzt beschriebenen Voraussetzungen aktiviert das Flipflop (FF.) den Schalter (SW) noch nicht. Hierfür ist noch eine weitere Voraussetzung erforderlich. Wenn, wie im vorangegangenen angenommen, der Kurzschluß im Transistor (T„) besteht, wird das Potential der Klemme (2) denselben Wert wie das Potential des Minuspols der Versorgung (-Vcc) annehmen.
Die an dieser Klemme tatsächlich vorhandene Spannung wird über die Verbindung (8) am Spannungskomparator (CMV3) angelegt, wo sie mit dem Negativwert (-VREF3) der zweiten Bezugsspannung verglichen wird. Der Absolutwert dieser zuletzt genannten Bezugsspannung wird so gewählt, daß er nicht über der Versorgungsspannung (Vcc) des Verstärkers liegt.
Wenn sich aus dem Vergleich der Spannung (V_) und der zweiten Bezugsspannung (VREF_) ein Absolutwert der zuerst genannten Spannung ergibt, der den Absolutwert der zweiten übersteigt, wird im dargestellten Fall, wenn (V_) kleiner ist als (-VREF„), am Ausgang des Komparators (CMV3) ein Signal (R3) erzeugt, das über die Verbindung (11) zum Flipflop (FF1) gelangt.
Wenn beide Signale (S1) und (R_) vorhanden sind, modifiziert das Flipflop (FF1) seinen Zustand. Durch das von ihm ausgehende Signal wird über die Verbindung (14) der Schalter (SW) betätigt, der seinerseits über die Verbindung (16) auf die Versorgung des Verstärkers (1) einwirkt und diese unterbricht oder in eine Wartestellung versetzt.
Der Zustand des Flipflops (FF1) verändert sich nicht, auch wenn das dem Strom entsprechende Signal (S1) ausbleiben würde, weil z.B. der abgegebene Strom auf null absinkt, da sich die Stromgeneratoren des Verstärkers aufgrund des anhaltenden Kurzschlußzustands ausschalten. Das Flipflop (FF1) schaltet nur auf den anderen Zustand um und aktiviert dadurch über den Schalter (SW) flpn Vpr<5tärkpr, wenn er den Befehl für die Wiedereinschaltung cihält. Dieser Belehl eriolgt xm ddt gestell ten Fctll dann, wenn
die Spannung (V ) geringer wird als die Bezugsspannung (VREF ), d.h. wenn der Kurzschluß beseitigt ist. Die Vorrichtung arbeitet in analoger Weise, wenn der Kurzschluß im Transistor (T.) entsteht. In diesem Fall, wenn der durch den Transistor (T ) fließende Strom größer ist als der maximal zulässige Strom, dem die erste Bezugsspannung (VREF..) entspricht, und wenn die Spannung (V_) der Last (RL) größer ist als der positive Wert (+VREF_) der zweiten Bezugsspannung, bedingen das Ausgangssignal (S„) vom Komparator (CMV2) und das Ausgangssignal (R.) vom Spannungskomparator (CMV.) die Zuschaltung der bistabilen Kippschaltung (FF3) und also über die Verbindung (15) wieder die Betätigung des Schalters (SW).
Aus dem oben genannten geht hervor, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen deutlich zwischen einem Kurzschluß und dem Normalbetrieb unterscheidet und dabei keine Begrenzungen des Ausgangsstroms vom Verstärker im Normalbetrieb erfordert.
Wie dies von Technikern sehr geschätzt werden wird, kann die Vorrichtung auch dann verwendet werden, wenn die Last (RL) zum Teil reaktiv ist, wobei in diesem Fall nur die Werte der ersten Bezugsspannung (VREF.) , die mit dem in den Transistoren maximal zulässigen Strom (Imax) bei Kurzschlüssen zusammenhängt, und der zweiten Bezugsspannung (VREF3) entsprechend gewählt werden müssen, um nicht gewollte Eingriffe der Schutzvorrichtung auszuschließen.
Im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche können die Materialien und Komponenten der Schutzvorrichtung und die Schutzvorrichtung selbst durch Varianten und Änderungen an einsatzspezifische Erfordernisse angepaßt werden.

Claims (1)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Schutz vor Kurzschlüssen in der Gegentakt-Endstufe von Niederspannungsverstärkern, bei denen ein erster Transistor (T..) zwischen Pluspol (+Vcc) der Versorgungsspannung und einer Lastklemme (RL) und ein zweiter Transistor (T_) zwischen dem Minuspol (-Vcc) der Versorgungsspannung und derselben Lastklemme (RL) und die andere Lastklemme an Masse angeschlossen sind, gekennzeichnet durch einen ersten Stromfühler (SI.) zur Messung des Stroms im ersten Transistor (T1), einen zweiten Stromfühler (SI«) zur Messung des Stroms im zweiten Transistor (T_), jeweils einen Strom-Spannungs-Umformer (CV.) bzw. (CV_) für die Erzeugung von Spannungssignalen (V1) bzw. (V2), welche den von den Fühlern (SI1) und (SI«) gemessenen Stromstärken entsprechen, einen ersten Spannungskomparator (CMV1) für den Vergleich des vom ersten Umformer (CV1) erzeugten Spannungssignals (V1) mit einer festgelegten positiven Bezugsspannung (+VREF1), einen zweiten Spannungskomparator (CMV2) für den Vergleich des vom zweiten Wandler (CV2) erzeugten Spannungssignals (V2) mit derselben festgelegten Bezugsspannung (+VREF1), wobei der erste und der zweite Spannungskomparator entsprechende Ausgangssignale (S1) und (S„) erarbeiten und ausgeben, wenn eines der beiden Spannungssignale (V1) und (V2) über der vorher festgelegten positiven Bezugsspannung (+VREF1) liegt, einen dritten (CMV3) und vierten (CMV4) Spannungskomparator für den Vergleich des aktuellen Werts
der Spannung (V ) an der Lastkleinme (RL) mit dem negativen bzw. positiven Wert einer zweiten festgelegten Bezugsspannung (VREF2), wobei der dritte und vierte Spannungskomparator (CMV_) und (CMV.) je nachdem, ob der absolute, aktuelle Spannungswert (V.) an der Lastklemme (RL) höher ist als der absolute Wert der zweiten festgelegten Bezugsspannung (VREF2), entsprechende Ausgangssignale (R,) bzw. (R.) ausgeben, eine erste bistabile Kippschaltung (FF.), die durch die Ausgangssignale (S-), (R.,) vom ersten (CMV1) und vom dritten (CMV.,) Spannungskomparator aktiviert wird, wenn beide Signale vorhanden sind, eine zweite bistabile Kippschaltung (FF3), die durch die Ausgangssignale (S_), (R4) vom zweiten (CMV5) und vom vierten (CMV.) Spannungskomparator aktiviert wird, und einen Schalter (SW) im Versorgungskreis des Verstärkers (1), der durch die Ausgangssignale aus einer der beiden bistabilen Kippschaltungen kontrolliert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der ersten festgelegten Bezugsspannung (+VREF1) des ersten und zweiten Spannungskomparators den Wert des maximalen Stroms (Imax) angibt, der von einem der Transistoren (T1), (T_) der Gegentakt-Endstufe des Verstärkers bei einem Kurzschluß des anderen Transistors abgegeben werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der absolute Wert der zweiten festgelegten Bezugsspannung (VREF2) des dritten und vierten Spannungskomparators den Wert der Versorgungsspannung in der Endstufe des Verstärkers nicht übersteigt.
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